Dry Fork: Ein Modell moderner US-Kohlekraft

Die Dry Fork Station nahm den kommerziellen Betrieb auf, als eine Reihe älterer, weniger effizienter US-Kohlekraftwerke angesichts einer Flut von Umweltvorschriften über die Stilllegung nachdachten. Dieser mit Weitsicht entworfene, typische moderne amerikanische Kohlegenerator stößt nur wenige Schadstoffe aus, gibt kein Wasser ab, verwendet seine Kohlenasche wieder – und nun ist er bereit, die Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -bindung zu demonstrieren.

Wenn jemand das nächste Mal US-Kohlekraft als eine umweltverschmutzende, ressourcenfressende Energiequelle beschreibt, lenken Sie seine Aufmerksamkeit höflich auf Dry Fork Station, ein 420-MW-Einzelkraftwerk, sieben Meilen nördlich von Gillette, Wyoming, im Besitz von Verbraucher- im Besitz der Basin Electric Power Cooperative (92,9 %) und des Stromgroßhandelsanbieters Wyoming Municipal Power Agency (7,1 %).

Seit der Inbetriebnahme im Jahr 2011 hat die Anlage – ausgestattet mit einer Vielzahl fortschrittlicher Technologien zur Einhaltung der strengsten Umweltvorschriften – in aller Stille ihre Leistung verbessert. Und heute ist das Kraftwerk mit nur 83 Vollzeitmitarbeitern einer der effizientesten und günstigsten Energieversorger des Landes.

Obwohl Dry Fork mit subbituminöser Kohle aus dem Powder River Basin (PRB) mit niedrigem Schwefelgehalt betrieben wird, die über ein nur eine Meile entferntes Fördersystem aus der Dry Fork Mine bezogen wird, liegen die Emissionen wichtiger Schadstoffe weit unter den Anforderungen von Bund und Ländern. Es verbraucht wenig Wasser und ist eine Anlage ohne Flüssigkeitsentladung. Vor allem aufgrund des Engagements für Umweltschutz und kommunale Partnerschaften ist hier auch ein integriertes Testzentrum (ITC) untergebracht, das sich den Technologien zur CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Sequestrierung (CCUS) widmet.

Von Anfang an versuchten die Entwickler, „im Grunde das sauberste Kohlekraftwerk zu schaffen, das jemals unter Umweltgesichtspunkten gebaut wurde“, sagte Dennis Thorfinnson, Dry Fork-Anlageningenieur, gegenüber POWER. Das ist im Großen und Ganzen zweifellos gelungen. „Wir haben PRB verwendet, haben hohe Kapazitätsfaktoren und realistisch gesehen merkt absolut niemand, dass Sie eine Anlage betreiben, weil nichts aus unserem Schornstein kommt“, sagte er.

Das 1,35-Milliarden-Dollar-Kraftwerk wurde im Jahr 2002 konzipiert, als Studien prognostizierten, dass Basin Electric mit Hauptsitz in Bismarck, North Dakota, bis 2011 mehr Strom benötigen würde, um seine 141 ländlichen Stromsysteme in mindestens Teilen von neun Bundesstaaten zu versorgen. Das Projekt wurde im Dezember 2004 offiziell angekündigt, erhielt jedoch erst im Oktober 2007 die behördlichen Genehmigungen, einschließlich einer Industriestandortgenehmigung und einer Luftgenehmigung. Für die Bauarbeiten wurden mehr als 6 Millionen Arbeitsstunden benötigt (zu Spitzenzeiten waren es mehr als 300.000 Mitarbeiter). 1.300 Personen) ohne einen einzigen Ausfall mit Ausfallzeiten. Basin Electric stellte fest, dass der Branchendurchschnitt für Großbauarbeiten dieser Größenordnung bei etwa 39 Unfällen mit Ausfallzeit liegt.

Für den Dry Fork-Werksleiter Tom Stalcup war das vielleicht die bedeutendste Errungenschaft des Werks. Die Menschen, die Dry Fork betreiben, seien der wertvollste Aspekt, sagte er gegenüber POWER, und die Anlage verfüge weiterhin über eine „gute Sicherheitsbilanz“. Wie zu Beginn der Bauarbeiten beginnt jeder Tag mit Sicherheitsbesprechungen, „deshalb stellen wir sicher, dass unsere Leute jeden Tag im gleichen Zustand nach Hause gehen, in dem sie zur Arbeit kommen“, sagte Stalcup.

Die unzähligen anderen bemerkenswerten Eigenschaften der Anlage liegen in ihrem Design begründet, das Basin Electric zusammen mit dem Ingenieurbüro Sargent & Lundy anhand eines preisgekrönten 3D-PLADES-Modells sorgfältig überprüft hat. Das Team stellte sich nicht nur Technologieintegration und Konstruktionsprobleme vor, sondern berücksichtigte auch zukünftige Kosten- und Zuverlässigkeitsprobleme. Beispielsweise konnten durch die Errichtung der Anlage an einer Minenmündung im Besitz der gemeinnützigen Genossenschaft Western Fuel Wyoming (zu der auch Basin Electric gehört) die Kosten für den Treibstofftransport eingespart werden. Allein der Gewinn dafür war beträchtlich. „Seit sechs Jahren in Folge war Dry Fork das Kohlekraftwerk mit den niedrigsten Brennstoffkosten in Amerika“, sagte Stalcup.

Auch der Betrieb und die Wartung der Anlage waren ein wesentlicher Bestandteil der Planung. „Das Team, das den Entwurf der Anlage entwickelte, verfügte über viel Betriebs- und Wartungserfahrung, weil wir sicherstellen wollten, dass die [Anlage] ohne große unerwartete Kosten gewartet werden kann“, bemerkte Stalcup.

Da das Projekt auf dem Höhepunkt der regulatorischen Bemühungen zur Kontrolle der Luft- und Abfallemissionen von Dampferzeugungsanlagen entwickelt wurde, mussten die Anlagenplaner – die im Vergleich zu vielen US-amerikanischen Kohlekraftwerken, die Jahrzehnte zuvor gebaut wurden – über eine viel größere Auswahl an effizienten Technologien verfügen – Ziel war es, sicherzustellen, dass die Einrichtung stets den Vorschriften entspricht.

Die Vorteile sind bemerkenswert. Die Luftgenehmigung von Dry Fork begrenzt die SO2-Emissionen auf 0,07 lb/MMBtu und die NOx-Emissionen auf 0,05 lb/MMBtu (beide auf gleitenden 12-Monats-Durchschnittswerten). Dry Fork führte von 2011 bis 2013 je nach Bedarf vierteljährliche Prüfungen der relativen Genauigkeit durch und seitdem jährliche Prüfungen. Die Ergebnisse waren im Vergleich zu den Genehmigungsgrenzen immer niedrig. Thorfinnson berichtete, dass die Quecksilberemissionen um 90 % reduziert wurden und der filtrierbare Feinstaub nur noch 0,00 lb/MMBtu betrug. „Das Besondere an Dry Fork ist der große Aufwand, der gleich zu Beginn betrieben wird – und nicht als Nachrüstung. Es liegt im Design, eine so saubere Betriebsanlage zu schaffen“, sagte er.

Basin Electric beauftragte Mitsubishi mit der Turbine und dem Dampfkreislauf sowie Babcock und Wilcox mit dem Strahlungstrommelkessel (der für subbituminöse PRB-Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt geeignet war) und der Kohleförderung. Babcock und Wilcox lieferten außerdem das System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zur NOx-Entfernung sowie die AireJet-Low-NOx-Brenner und Oberluft des Unternehmens.

Die Designer gingen dann noch einen Schritt weiter und wählten die beste verfügbare Trockenreinigungstechnologie, um eine kosteneffiziente Kontrolle mehrerer Schadstoffe zu erreichen. Sie entschieden sich schließlich für eine von Graf-Wulff entwickelte halbtrockene Sprühtrockner-Absorption und ein zirkulierendes Wirbelschichtwäscher-System (CFBS). Die wichtigsten Vorteile bestanden darin, dass das System im Vergleich zu einer Nass-Rauchgasentschwefelungsanlage bis zu 30 % weniger Wasser verbrauchte und eine Entschwefelung von 98 % aufwies. Abfälle könnten auch zur Deponierung in einem nahegelegenen Kohletagebau verwendet werden, was die Kosten erheblich senkt. Stalcup, der aufgrund früherer Erfahrungen mit der CFBS-Technologie in das Dry Fork-Team geholt wurde, stellte außerdem fest, dass Wyoming zu dieser Zeit „keine Start- oder Abschaltausschlüsse durchsetzte“, was bedeutete, dass die Einhaltung in 100 % der Fälle gewährleistet war. Ein CFBS-System ermöglichte dies, sagte er. Um der 420-MW-Größe von Dry Fork gerecht zu werden, wurde das CFBS entworfen und installiert, das damals das größte seiner Größe weltweit war.

Dry Fork war außerdem das erste Basin Electric-Kohlekraftwerk, das eine Aktivkohleeinspritzung (ACI) zur Quecksilberentfernung installierte. Laut Thorfinnson stießen die Anlagenbetreiber jedoch im Laufe des Betriebs „irgendwie auf die Entdeckung“, dass die Verwendung einer Kombination aus ACI und modifizierten Silikaten die Menge an Quecksilber im Rauchgas drastisch reduzierte, anstatt jedes einzelne davon einzeln zu verwenden. „Anstatt nur 140 Pfund Aktivkohle pro Stunde zuzuführen, könnten wir 10 Pfund modifizierte Silikate und 10 Pfund Aktivkohle zuführen und die Einhaltung der Vorschriften gewährleisten“, sagte er. „Die Kosten für die Quecksilberentfernung wurden drastisch gesenkt“, da halogeniertes ACI fast dreimal so viel kostet wie modifiziertes Silikat.

Zu den weiteren bemerkenswerten „Premieren“ von Dry Fork gehört, dass es das erste US-Projekt war, bei dem ein Magaldi-System zur trockenen Schlackenentfernung installiert wurde. Die Projektentwicklung sei noch im Gange, als sich im Dezember 2008 in Kingston, Tennessee, die katastrophale Kohleaschekatastrophe ereignete, erklärte Stalcup. „Aus kooperativer Sicht war es einfach sinnvoll, das Risiko zu beseitigen, ohne zu wissen, wie die künftigen Regeln für Nasssysteme aussehen würden.“

Schließlich beherbergt Dry Fork den größten luftgekühlten Kondensator in Nordamerika. Die Entwickler entschieden sich für die Installation des hochmodernen Kondensators, der einen großen Kühler und 45 250-PS-Motoren mit Frequenzumrichtern umfasst, da hierfür keine Aufstellung in der Nähe eines Gewässers erforderlich wäre. Dennoch modifizierte Dry Fork schließlich den Kondensator mit „Windwänden“, um ihn in den kalten Wintern in Wyoming effizienter zu machen. „Es hat unseren Wasserverbrauch zur Stromerzeugung drastisch um mehrere tausend Gallonen pro Minute reduziert“, sagte Thorfinnson.

Dank ihrer Weitsicht ließen die Planer auch 16 Hektar auf der Rückseite des Werks für eine zukünftige Erweiterung der Schadstoffbegrenzung frei. Im Jahr 2014 verabschiedete das kohlereiche Wyoming Maßnahmen zur Förderung von Initiativen zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, um Emissionen zu reduzieren und sicherzustellen, dass es für Kohle wirtschaftlich tragfähige Kohlenstofflösungen gibt. Wie Stalcup sich erinnerte, wurden drei Kohlegeneratoren im Bundesstaat, darunter Basin Electric, gebeten, Beiträge zum besten Standort des Wyoming Integrated Test Center (ITC) zu liefern, einer Einrichtung, die es Forschern ermöglichen würde, CCUS-Technologien mit 20 MW gewaschener Kohle zu testen -basiertes Rauchgas. „Ich denke, ein Grund dafür, dass Dry Fork ausgewählt wurde, war, dass wir über die Infrastruktur und den Platz verfügten“, sagte er.

Gleich nach der Ankündigung im Jahr 2015 machte die ITC schnell Fortschritte. „Im Jahr 2016 hatten wir einen unserer größten Ausfälle, der Zeitpunkt war perfekt, um das Rauchgas der Anlage einzubinden“, sagte Stalcup. Im Juli 2018 war das ITC vollständig gebaut und wartete auf die offizielle Eröffnung. Das Zentrum wird mit 15 Millionen US-Dollar vom Staat, 5 Millionen US-Dollar von der Tri-State Generation and Transmission Association und 1 Million US-Dollar von der National Rural Electric Cooperatives Association finanziert und verfügt über sechs Testfelder (einzeln mit Dry Fork-Rauchgas gespeist), die für Projekte von konzipiert sind unterschiedliche Größen und Leistungsanforderungen (Abbildung 1). Derzeit sollen fünf Finalisten – aus Indien, China, Schottland, Kanada und den USA – für den NRG COSIA Carbon XPRIZE ihre Technologien in der Anlage testen.

Es wird erwartet, dass Projekte die 12,5 % des Kohlendioxids im Rauchgas von Dry Fork ganz oder teilweise auffangen und in Produkte wie Düngemittel, Fischfutter und Baumaterialien umwandeln. Kawasaki Heavy Industries wird den sechsten Platz einnehmen, um seine Technologie zur Feststoffsorbens-Abscheidung zu testen.

Für Stalcup sind die Bemühungen vielversprechend. „Es wird interessant sein zu sehen, was diese Visionäre in den nächsten Jahren leisten können. Hoffentlich geht es darum, Kohle als sinnvolle Stromerzeugungsquelle zu retten – denn ich denke, Dry Fork ist ein großartiges Beispiel dafür, was man tun kann, wenn man es richtig macht und das richtige Team von Leuten zusammen hat, das die Risiken bewertet“, sagte er. ■

– Sonal Patel ist Associate Editor bei POWER.

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